Введение к работе
Актуальность темы. Процесс проведения в стране земельной реформы связан с получением детальной картографической информацией, характеризующей административно-хозяйственное значение земель и их размещение в пространстве. Эту информацию получают с помощью крупномасштабной аэрофотосъемки. Потребности современной крупномасштабной аэрофотосъемки создают необходимость использования высокоточных бортовых радиотехнических систем.
Проведенные исследования показали, что существующие методы обычной наземной съемки и аэрофотограмметрии обладают рядом недостатков, основные из которых - сложная обработка на стереокомпараторах и фототрансформаторах, совместная обработка большого числа снимков, мозаичность изображения, низкая воспроизводимость, невысокая производительность, большие временные и стоимостные затраты.
Поэтому они не позволяют решить проблему в сжатые сроки, диктуемые развитием новых земельных отношений в современных экономических условиях. Необходимо искать новые технологические подходы, которые дают возможность упростить процесс кадастровых съемок, сделать его более производительным и экономичным.
Основные требования предъявляемые к результатам
аэрофотосъемочных работ, заключаются в том, что линейно-боковое отклонение воздушного комплекса (ВК) от линии заданной пути (ЛЗП) не должно превышать 200 м, а уклонение от заданной высоты фотографирования относительно средней плоскости фотографируемого участка не должно превышать 20 м.
Существующие технологии проведения аэрофотосъемочных работ, основанные на использовании инерциальных и радионавигационных методах управления ВК, обеспечивают измерение местоположения ВК с погрешностью, удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к результатам летно-съемочных работ. Однако при удалении от радиомаяка погрешность может возрасти до 1000м, что недопустимо.
Спутниковый метод радионавигации имеет, то преимущество перед вышеупомянутыми, что обеспечивает автономное определение геодезических координат во время полета с точностью до 100 м, независимо от дальности расстояния ВК от радиомаяков.
Повышение точности измерений основывается на разработке математической модели управления аэрофотосъемочным полетом.
Актуальность данной работы обусловлена:
необходимостью использования спутниковых данных при решении задач управления аэрофотосъемочным комплексом и привязки полученного фотоматериала к местности;
необходимостью повышения уровня автоматизации процессов управления аэрофотосъемочным комплексом и обработки полученных данных с целью улучшения качества получаемой информации;
существованием нерешенных проблем, имеющих фундаментальный характер и важное принципиальное значение в связи с задачами повышения выхода годной картографической продукции и оперативности управления аэрофотосъемочным комплексом.
Целью работы является разработка методики моделирования, создание математической модели спутниковой радионавигационной системы управления аэрофотосъемочным полетом, а также создание пакета программ, обеспечивающих применение моделирования к решению практических задач аэрофотосъемки.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо:
получить аналитическую модель для определения навигационных параметров управления воздушным комплексом;
получить аналитическую модель для определения интервала фотографирования;
разработать модель оценки алгоритмических погрешностей измерения поперечного сноса летательного аппарата относительно линии маршрута при картографировании земной поверхности;
разработать алгоритм расчета навигационных параметров на основе модели управления аэрофотосъемочным полетом;
разработать алгоритмы построения проектируемых и выполненных маршрутов;
разработать алгоритмы привязки аэрофотоматериала к местности на основе использования данных GPS (глобальной системы позиционирования);
оценить точность созданного аэрофотосъемочного комплекса на основе результатов экспериментального исследования.
Разработанный автором метод управления предполагает следующие допущения:
навигационные параметры модели управления можно представить геометрическими параметрами относительно ЛЗП;
если навигационные параметры находятся в пределах допустимых значений, то материалы воздушного фотографирования удовлетворяют требованиям технологии выполнения аэрофотосъемочных работ;
турбулентность атмосферы не оказывает влияние на комплекс управления ВК.
Достоверность основных положений, выводов. рекомендаций сформулированных в диссертации, обеспечивается достаточной выборкой результатов измерений, использованием современных методов математической обработки и метрологически аттестованных измерительных приборов, применением современной вычислительной техники. Созданный спутниковый радиотехнический комплекс непосредственно применяется в практической деятельности при проведении аэрофотосъемочных работ в течение 5 лет.
Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования проводились в работе на самолете ТУ-134СХ, который был снабжен радиотехнической аппаратурой (персональный навигатор "TransPak II" или "SVeeSix Plus" фирмы "Trimble Navigation Ltd"). Обработка результатов эксперимента, оценка их точности проводилась методами математической статистики.
Научная новизна,
-
Получена аналитическая модель для определения навигационных параметров управления ВК.
-
Получена аналитическая модель для определения интервала фотографирования.
-
Создана модель управления аэрофотосъемочным полетом на основе данных спутниковых радионавигационных систем, позволяющая определять навигационные и аэрофотосъемочные параметры.
-
Разработана и обоснована модель оценки алгоритмических погрешностей измерения поперечного сноса летательного аппарата относительно линии галса для аэрофотосъемочных комплексов, использующих спутниковые радионавигационные системы.
-
Разработаны алгоритмы и создан пакет программ, позволяющих динамически определять навигационные и аэрофотосъемочные параметры, строить проект залета, проводить послеполетную обработку полученной информации.
-
Разработаны методики исследования и оценки точности практического применения созданного комплекса "Вектор".
На защиту выносятся следующие положения;
1.Созданная модель оценки алгоритмических погрешностей измерения поперечного сноса показывает, что использование спутниковых радионавигационных систем является более эффективным для получения допустимых погрешностей перекрытия фотоснимков при картографировании земной поверхности.
2.Полученные аналитические выражения определения навигационных и аэрофотосъемочных параметров позволяют определять их с заданной точностью.
3.Разработанное специальное информационное обеспечение
управления аэрофотосъемочным полетом на основе данных спутниковой радионавигационной системы дает возможность управлять ВК во время полета и обрабатывать массивы аэрофотосъемочной и навигационной информации, записанные во время выполнения аэрофотосъемочного полета, для высокоточной привязки аэрофотоснимков.
4.Моделирование аэрофотосъемочного полета на основе данных радионавигационных систем показало, что спутниковые системы радионавигации эффективны в использовании для управления ВК.
5.Экспериментальные исследования поведения самолета-
аэрофотосъемщика во время полета позволяют оценить точность управления ВК во время полета, амплитуду флуктуации высоты полета, погрешность определения высоты фотографирования, полученную в результате использования дифференциального режима, оценить точность определения координат центров фотографирования и величину продольного перекрытия.
6.Разработанные и используемые в работе математическое и программное обеспечение, а также методика исследования результатов практического применения радиотехнического комплекса "Вектор", позволяют автоматизировать различные этапы работы с комплексом и оценить точность выполнения аэрофотосъемочных работ.
Практическая ценность. Полученные в работе экспериментальные результаты и разработанная методика используются в послеполетной обработке фотоматериала и анализе данных, записанных во время выполнения аэрофотосъемочных работ.
Математическая модель спутниковой радионавигационной системы управления аэрофотосъемочным полетом используется при управлении ВК во время полета.
Программное и математическое обеспечение используются при выполнении аэрофотосъемочных работ.
Все это внедрено в производство в Российском Институте Мониторинга Земель и Экосистем и АОЗТ "Ракурс".
Личный вклад автора состоит в обосновании общей концепции работы, формализации модели аэрофотосъемочного полета и анализе принципа построения базы данных бортовой радиотехнической системы, необходимой для управления полетом, осуществлении постановки задач, разработке методик, разработке специальных блоков программных средств, проведении экспериментальных исследований и опытно-
производственной апробации технологии управления аэрофотосъемочным полетом с использованием GPS и анализе полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: VIII международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине" (Геленджик, 1998); всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (Москва, 1998), конференции молодых ученых в Государственном Университете Землеустройства (Москва, 1997), научно-технической конференции "Гагаринские чтения" (Москва, 1997,1998,1999), где в 1998 году на секции "Прикладная математика и математическая физика" доклад был удостоен третьей премии, заседаниях кафедры "Физика" МГАТУ им. К.Э.Циолковского (Москва, 1995,1996,1997,1998,1999). Работа "The application GPS at large-scale aerial photography and cadastre cartographer" участвовала в конкурсе докладов, проводимых The Institute Of Navigation (USA). Участник научного коллектива-победителя конкурса грантов Госкомвуза Р.Ф. по фундаментальным исследованиям в 1998 году.
Публикации. Основное содержание работы отражено в восьми печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы.
Содержит j&ty страниц машинописного текста, таблицу,
иллюстраций, тО наименования литературных источников, приложение нас%страницах.